X線自由電子レーザー

X線自由電子レーザー (XFEL)

X線自由電子レーザー（XFEL）は、既存の放射光施設から得られるX線とは一線を画す、革新的なX線光源です。その最も顕著な特徴は、極めて高いピーク輝度、パルス幅が非常に短い超短パルス、そして優れたコヒーレンス（可干渉性）を持つ点にあります。これらの特性により、これまで観測が困難であった様々な現象や物質の構造を、詳細かつ高速に調べることが可能となりました。

光発生の原理

XFEL光の生成は、まず高性能な電子銃から生成される非常に高品質な電子ビームから始まります。この電子ビームは、線形加速器によってほぼ光速に近い高いエネルギーまで加速されます。加速された電子ビームは、周期的に磁場の向きが変わる特殊な磁石列である「アンジュレータ」の中を通過します。アンジュレータを通過する際、電子は進行方向に対して蛇行する軌道を描き、その過程でX線領域の光を放出します。

通常の放射光施設でもアンジュレータは使用されますが、XFELでは電子ビームと放出されたX線光がアンジュレータ内で相互作用し、X線光が誘導放出によって指数関数的に増幅されるプロセス（SASE効果など）を利用します。これにより、通常の放射光をはるかに超える、レーザー光特有の性質（高い指向性、単色性、コヒーレンス）を持つ強力なX線パルスが得られます。このレーザー発振を効率的に行うためには、電子ビームが狭く集束しており広がりにくい性質（低エミッタンス）と、瞬間的に多くの電子が集中している（大ピーク電流）という、非常に高い品質を保持していることが絶対条件となります。

さらに、電子銃からアンジュレータを経てXFEL光を取り出すまでのシステム全体で、電子ビームのエネルギー損失や広がりの増大を極力抑えつつ輸送・加速する技術、そしてアンジュレータの配置や電子ビームの軌道をミクロン以下の精度で一致させる高度なビーム制御技術が不可欠となります。

世界の主要施設

2014年以降、XFEL施設は世界各地で稼働しており、最先端科学研究の拠点となっています。代表的な施設としては、アメリカのスタンフォード線形加速器センターにあるLCLS（Linac Coherent Light Source）、日本のSACLA（SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser）、そしてヨーロッパの共同プロジェクトである欧州XFEL（European XFEL）が挙げられます。これらに加え、スイスのSwissFELなど、新たな施設の建設も進められています。

主な用途

XFELの持つ独特な特性は、様々な分野で画期的な研究を可能にしています。主な応用例は以下の通りです。

結晶構造解析: 非常に高いピーク強度を持つXFEL光は、これまでX線解析が困難であった微小な結晶や、放射線損傷を受けやすい生体分子（膜タンパク質など）の構造解析に利用されます。特に、「シリアルフェムト秒結晶学」という手法では、フェムト秒という超短パルスを次々と試料に照射し、試料が損傷する前に回折データを取得することで、従来の常識を覆す解析が可能となりました。
無損傷データ収集: XFELのパルス幅が極めて短いため、強い光を照射しても、試料が損傷を受けて構造が変化するよりも速くデータを収集できます。これにより、放射線による試料の破壊を防ぎながら、その本来の構造や状態を観測することが可能です。
時分割測定: 超短パルスを利用することで、化学反応や物質中の構造変化といった、マイクロ秒やナノ秒、さらにはピコ秒・フェムト秒といった超高速で進行するダイナミクスをリアルタイムに追跡することができます。これにより、現象のメカニズム解明に不可欠な情報を得られます。
コヒーレント回折イメージング (CDI): XFELの高いコヒーレンスを活用することで、結晶化が難しい、あるいは不可能なウイルス粒子やナノ粒子などの非結晶性試料を、そのままの状態でX線回折パターンから高分解能なイメージとして再構成する手法です。これにより、生体関連物質や新素材などの詳細な構造を非破壊で調べられます。

XFELは、物理学、化学、生物学、材料科学など、幅広い分野において新たな知見をもたらし、科学技術のフロンティアを開拓する強力なツールとしてその重要性を増しています。

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